基于PCI总线的虚拟仪器数据采集卡在摆式列车信号检测系统中的

1、第1卷第2期2001年6月交通运输工程学报Journal of T raffic and T ransportation Eng ineeringV ol. 1No. 2June 2001文章编号:1671-1637(2001 02-0026-03基于PCI 总线的虚拟仪器数据采集卡在摆式列车信号检测系统中的应用曹军, 林建辉, 高燕(西南交通大学牵引动力国家重点实验室, 四川成都610031摘要:介绍了一种基于PCI 总线的虚拟仪器数据采集卡, 采用S5933接口芯片, 配以专用低通数字滤波器, 在摆式列车的信号检测系统中实现对列车运行加速度和轨道超高信号的检测及滤波处理。通过线路试验表明,

2、 该虚拟仪器数据采集卡具有一定的实用性和优越性。关键词:PCI 总线; 虚拟仪器; 数据采集; 摆式列车; 检测中图分类号:U279. 3文献标识码:AApplication of Data Acquisition Card of Virtual Instrument Basedon PCI Bus in Tilting Train MesurementCAO J un , L I N J ian -hui , GA O Yan(Na tio nal T r actio n Po wer L abo ra tor y, Southw est Jiaoto ng U niv ersity, Ch

3、eng du 610031, ChinaAbstract :A data acquisition card of virtual instrum ent based o n PCI bus is introduced , w hich is applied in the testing sy stem o f tilting train. T he interface chip of S5933is the pivotal par t of the card follow ed by a special low -pass filter. The signal of the accelerat

4、ion and the o rbit excess of therunning tilting train can be ex actly tested and filtered in tim e . By the test of the true run , the pr acticality and superiority of the card is proved.Key words :PCI bus; v irtual instrument; data acquisition; tilting train; m easur ing 摆式列车在线路实设超高一定的条件下, 当车辆进入曲线时

5、, 让车体向轨道内侧再倾摆一定角度, 相当于再增加一份超高, 于是车上的重力加速度横向分量可以平衡更大的离心加速度, 因而可以提高列车通过曲线的速度, 从而最终实现在既有线路上使列车提速的目的。车体的倾摆角是用来平衡列车曲线运行时的离心加速度或离心力的。在实时采集系统模式下, 车体倾摆角是通过直接采集列车的运行加速度或离心力, 以此为依据按照一定控制算法计算来获得的。这种方式要求信号采集系统比较精密, 基于PCI 总线的虚拟仪器数据采集卡不论是在采样速度, 还是在采样精度上均能达到极高的指标, 同时后继的低通数字滤波器有效地抑制了各种轨道激振噪声信号,收稿日期:2001-03-18:, , 降

6、低了在摆式列车信号检测系统中基于ISA 总线的数据采集卡所带来的负面影响。1摆式列车的信号检测系统摆式列车根据车辆通过曲线时的未平衡离心加速度的大小实时地控制车体的倾摆角, 检测系统即是为主控计算机系统提供此加速度信息的。主控计算机依据检测系统所采样得到的离心加速度或离心力信息, 按照一定的控制算法计算出车体所需要的倾摆角度, 通过通讯系统把倾摆指令传输给各车辆的伺服倾摆控制器, 以此完成车体倾摆。可见, 检测信息的正确与否是至关整个摆式列车正确动作的基础。本检测系统采用了压电式加速度传感器、应变第2期曹军, 等:基于PCI 总线的虚拟仪器数据采集卡在摆式列车信号检测系统中的应用27式加速度传

7、感器和陀螺仪, 分别用来检测横向剩余加速度和线路外轨的超高变化, 然后通过计算机控制系统实时采样处理。其基本系统结构如图1所示1 。CPLD 设计PCI 接口电路, 必须深入了解PCI 总线规范, 明确所设计的PCI 接口控制器各接口信号的功能, 各状态及所对应每个状态所要发生的并发事件。此设计过程需要做大量的逻辑验证和时序分析工作。PCI 总线专用接口芯片放置在系统或插卡特定功能与PCI 总线之间, 提供传递数据和控制信号的图1摆式列车检测基本系统结构框图接口电路, 从而将复杂的PCI 总线接口转换为相对简单的用户接口。AM CC 公司生产的S 5933是一种功能强, 使用灵活的PCI 总线

8、控制器, 其基本结构框图如图2所示。它提供了由片内FIFO 和邮箱(M AILBOX 组成的消息接口, 还提供了一个由PCI 总线至插卡总线的直通通路(PASS-THRU 。S5933通过这些数据通路将复杂的PCI 接口转换为相对简单的插卡总线接口。可见, 在采集列车运行信息的检测系统中, 数据采集卡(A /D 发挥着重要的作用。它将反映列车运行状态的模拟加速度信号、轨道超高信号转换为数字信号, 以便后继信号处理得以进行。同时, 在数字信号处理部分配以专用的数字低通滤波器, 能有效抑制各种随机振动对控制所需的“未平衡横向加速度信号”的影响。2基于PCI 总线的虚拟仪器数据采集卡与常用的ISA

9、、EISA 和MCA 等扩展总线相比, PCI 总线具有负载能力强、支持32/64位数据传输、采用多总线和线性突发传输模式、独立于CPU 、自动配置、支持即插即用等众多优点。基于PCI 总线的数据采集技术是高速数据采集的发展方向, 在要求大容量、实时性的采集中, 采用PCI 总线作为数据传输总线是值得研究的。同时, 随着计算机技术的发展, 出现了以微型计算机为平台, 配以专用测量和测试的插卡及专用软件的PC 仪器, 也即虚拟仪器。将基于PCI 总线的数据采集卡与专用的测试硬件、软件相结合, 即能实现高速数据采集和实时数据处理等功能。与传统仪器和基于ISA 总线的数据采集卡相比, 基于PCI 总

10、线的虚拟仪器数据采集卡无论在性能还是在综合测试能力方面都要强得多。数据采集功能模块是通过PCI 逻辑接口与PCI 总线进行数据通讯的, 因而设计PCI 总线逻辑接口在基于PCI 总线的虚拟仪器数据采集设计中是十分重要的。2. 1PCI 总线接口技术目前实现PCI 总线接口开发的有效方案有2种, 即PLD(可编程逻辑器件 和使用专用接口芯片2。采用可编程逻辑器件可以根据实际需要灵活地实现PCI 规范中的某些功能, 从而减少了对系统逻 , 图3基于PCI 总线的数据采集系统基本原理图图2S5933基本结构简图2. 2基于PCI 总线的虚拟仪器数据采集卡由于受ISA 总线数据带宽的限制, 传统的基于

11、ISA 总线的数据采集系统在提高采样频率时将出现A /D 芯片与主机数据流间的瓶颈问题。PCI 总线高达132M B/s 的传输速率能充分满足高速采集和实时处理的要求。改进的基于PCI 总线的摆式列车数据采集系统的基本原理如图3所示。基于开发周期和成本的考虑, 本采集通道采用S 5933实现PCI 接口, 采用片外FIFO 作为数据采集前端与PCI 总线的数据缓冲, S5933作为主控设备, 使用片内FIFO 通道进行数据传输。当片外FIFO 有数据添入达半满时, 通过写第4号S 5933的Addon 输出信箱字节3产生硬件中断, S 5933获交通运输工程学报282001年写计数器的内容,

12、向PCI 总线存贮器空间写入数据, 从而实现一次数据传输。可编程逻辑器件(EPLD 用以实现S5933与级连FIFO 的I/O 逻辑、DM A 逻辑、中断逻辑以及主机对数据采集通道的前端控制。另外, 由于轨道的不平顺, 加速度计输出信号掺杂着轨道激振噪声, 但噪声信号的频带高于有效信号, 两者可以通过滤波分离。国内外的试验证明, 信号频带在0. 51. 0Hz 以下, 而激振噪声的频带大于1Hz, 因此, 在采样得到加速度信号后, 还需在后继部分采用截止频率为1Hz 的数字低通滤波器进行滤波。采用有限冲激响应(FIR 滤波器, 能保证加速度信号在经过滤波后的线性相位特性3。FIR 滤波器的设计

13、方法主要有:窗函数法、频率抽样法、切比雪夫逼近法等。本检测系统采用频率抽样法进行FIR 滤波器的设计。频率抽样法是基于频率抽样理论, 即一个任意长的序列, 对它的频率特性进行N 等分间隔抽样, 利用离散傅立叶反变换, 可以得到一个N 点有限长序列。这个有限长序列是原序列以N 为周期序列的主值序列, 它是原序列的近似, 因而它的频率特性也将逼近原序列所对应的频率特性。图4滤波后转向架加速度信号采集并经由FIR 数字低通滤波器滤波后得到的, 此时采样频率为256Hz , 低通滤波器截止频率为0. 5Hz 。通过对采集得到的陀螺仪信号和列车速度信号进行处理, 运算后可以得到剩余加速度信号, 并与采集

14、、滤波后得到的应变式加速度传感器信号相比, 两者有较好的一致性, 如图5 所示。3基于PCI 总线的数据采集卡在摆式列车信号检测系统中的应用所设计的基于PCI 总线的虚拟仪器数据采集卡应用于摆式列车信号检测系统中。该检测系统搭载成都铁路局轨道车进行了试验。在试验中, 加速度传感器和陀螺仪输出的列车运行加速度和轨道超高模拟信号被转换为后继处理所需的数字信号, 并通过低通滤波得以抑制各种随机噪声。由于在本次试验中对采样速度的要求不是很高, 所以采用的A/D 转换芯片为AD9221, 采样精度为12位。图4中的加速度信号曲线是直接把传感器安装在检测车的转向架构架上进行线路试验, 通过数据图5计算所得剩余加速度